超级电容储能式电梯应用研究_罗志群

Abstract： To solve the problem of harmonics and interference when the elevator energy feedback device was applied，an elevator energystorage system with supercapacitor was studied and designed． The feedback energy can be stored and reused by using bidirectional DCDC converter． Based on this elevator system ，the parameter design method of supercapacitor energystorage device was discussed in detail and a specific principle was proposed． Simulation and experimental results show that this designed system realizes the effective feedback energy ，and 26% considerable energysaving is reached． Furthermore ，there is no negative impact on either comfortable sensation or safety． Keywords： supercapacitor； elevator； energy storage ； energysaving ； parameter design
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电
机
与
控
制
学
报
第 19 卷
水平， 已成为国家和电梯业界共同关注的课题 。 ， 电梯作为一种特殊的“垂直交通工具 ” 本身特 点就具有节能潜质： 在轻载上行、 重载下行时两种工 。 国外根 况下处于再生发电状态， 能够“回馈电能 ” 据电梯能否有效利用这部分能量， 将电梯分为“耗 。 中国电梯协会曾根据 2006 年 能型” 和“回馈型 ” 国内的电梯现状进行了预测， 如果 80% 的电梯采用 节能电梯， 全年能够节省约 122 亿 kWh 的电能； 到 2015 年， 如果所有电梯均采用节能电梯， 全年能够 节省约 800 亿 kWh 的电能， 相当于三峡大坝一年总 发电量。因此， 电梯具有巨大的节能潜力， 开展电梯 ， 节能技术 研 究 具 有 特 别 重 要 的 经 济 效 益 和 社 会 意义。 “回馈节能型 ” 目前 电梯采用的技术是加装能 量回馈装置， 将电梯的再生能量通过逆变装置回馈 电网中， 以达到节约电能的目的 。 目前市场上已 经推出几种功率等级的产品： 如德国西门子公司推 出了电机四象限运行的电压型交 － 直 － 交变频器； FＲENJC 列电源再 日本富士公司推出了 ＲHＲ 系列、 生单元， 把有源逆变单元从变频器中分离出来 ， 直接 作为变频器的一个外设装置， 并联到变频器的直流 侧， 将再生能量回馈到电网中。 这些产品虽然能够 将电梯制动的能量回馈到电网， 但回馈电能的并网 问题仍然没有很好解决， 会对电网造成一定的负面 ［2 ］ 影响 ， 在国内推广受到限制。 随着超级电容技术的兴起， 储能技术在电梯节 。 能上的应用成为新的研究热点 超级电容因其具有 寿命长、 充放电速率快、 高低温性能好、 能量管理简 单、 环境友好等优点， 在新能源、 电力系统、 电动汽车 等领域已经得到了应用， 而在电梯上的应用研究国 内尚处理论研究阶段， 超级电容储能系统的实际节 能效果及对电梯系统的影响应用研究鲜有报道 。 基于上述背景， 为进一步促进我国电梯节能技 术的发展， 提高电梯节能降耗水平， 笔者以国内占电 梯总数 80% 的垂直升降的客梯为研究对象， 设计并 研制了超级电容储能式电梯， 对超级电容储能装置 参数选择进行了研究， 通过超级电容储能装置将电 梯回馈的电能储存， 并在需要时向电梯及其辅助装 置供电， 一方面实现回馈电能的实时循环利用 ， 节能 降耗； 另一方面减少对电网的谐波污染 ， 达到洁净节 能的目的
［9 ］
， 其中 U dc 为直 两阈值应满足式 （ 2 ） ， 1 U ， 4 dc
流母线电压：
AC 220V A1 A2 A3 K1 D1 EPS 5KW A4 AC 220V 辅助供电 SC DC/DC 25KW
U min ≥
K2 D2
1 U max ≤ U dc 。 2
}
（ 2）
图2 Fig． 2
［3 ］ ［1 ］
1
1. 1 示
建模及参数设计
超级电容储能式电梯结构及功能 超级电 容 储 能 式 电 梯 原 理 结 构 图 如 图 1 所 。与现有电梯区别是， 在直间加装了超级电容储能式装置 。
变频器 DC BUS510~680V C C1 A1 D1 超级电容储能系统 A2 A A4 D2 3 AC220V 辅助供电 曳引机
能源使用， 在突然断电的情况下为电梯提供必要电 能使其就近平层， 实现有效的紧急救援。 为进一步 验 证 超 级 电 容 储 能 式 电 梯 的 实 际 运 行 效 果， 对 2. 5 m / s的电梯进行了实验研究。
能系统的原理结构图如图 2 所示。 由于超级电容器组在充、 放电过程中， 端电压变 化范围很大， 充放电电流大小也需要限制。为此， 设
（ 1． School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072 ，China； 2． Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Ｒesearch，Guangzhou 501655 ，China）
0
引
言
43 多万台， 产量居世界第一； 近几年我国电梯年均 增长率在 20% 以上， 我国已成为全球最大的电梯市 场、 最大的电梯制造基地、 最大的电梯出口国。随着 新装电梯数量的高速增长， 巨大的电梯能耗已经受 到各国政府及相关部门的重视， 如何提高电梯节能
据国家特种设备主管部门近期的统计， 截止到 2013 年第一季度我国电梯在用量已达 250 万台， 是 全球在用电梯最多的国家。2012 年全国生产电梯
超级电容储能装置电路原理
The system structure of supercapacitor energy storage device
实现紧急救援功能时的超级电容输出功率 P c 、 对应的超级电容器组的输出电流 I c 以及曳引机拖 动轿厢就近平层的输出功率 P y 应满足式（ 3 ） P c = U min I c ≥P y 。 （ 3）
中图分类号： TM 921. 4 文献标志码： A 文章编号： 1007－ 449X（ 2015 ） 06－ 0055－ 07
Ｒesearch and application to supercapacitor for elevator energysaving
2 LUO Zhiqun1， ， WAN Jianru1 ， HUANG Shaolun2 ， HAN Weiwei1
双向 DC － DC 变换器的拓扑主要有非隔离型和 隔离型两种。从控制阈值角度看， 储能装置对电压 增益要求不是很苛刻， 因此选择低成本且控制高效 的非隔离型双向 DC － DC 变换器进行建模及应用研 究。对于超级电容来说， 常用的数学模型有德拜电 ［6 ］ 池模型、 传输线模型、 集总参数电路模型等 。 其 中集总参数模型， 将超级电容器等效为一个理想电 容器 C F 与一个阻值较大的等效电阻 Ｒ ep 并联之后再 ， 适合建模分 串联一个阻值较小的等效电阻 Ｒ 析。基于双向 DC － DC 变换器的超级电容储能系统 电路模型如图 3 所示。
AC380V
电梯轿 厢系统
轿厢 对重 并道
图1 Fig． 1
超级电容储能式电梯电气原理
System structure of energysaving elevator based on supercapacitor
为了更合理的利用电能， 对超级电容设置了储 、 ， 能上 下限阈值 设计的超级电容储能系统功能主 要有： 1 ） 回馈 电 能 存 储： 当 电 梯 处 于 再 生 电 能 工 况 时， 回馈到 DC Bus 的再生能量快速储存到超级电容 器组中， 在此过程中， 控制使得直流母线电压 u dc 始 终稳定在 510 ～ 680 V 内。在这个过程中， 如果检测 到超级电容器组端电压越过上限， 则立即关闭双向 DC － DC ， 并打开并联在变频器直流母线的泄放电 路， 将多余能量进行泄放。 2 ） 功率 输 出 补 偿： 当 电 梯 处 于 耗 能 运 行 工 况 时， 超级电容储能装置向直流母线输出功率 ， 将储存 的能量输出进行功率补偿， 实现回馈电能储存的再 利用， 同时控制直流母线电压 u dc 始终稳定在 510 ～ 680 V 内。 在此过程中， 如果检测到超级电容器组 端电压降至输出下限值时， 立即关闭双向 DC － DC ， 。 退出功率补偿状态 3 ） 辅助系统供电及 EPS 紧急救援： 当电梯运行 过程中突发电网停电， 超级电容储能系统充当 EPS
要： 针对现有的回馈并网型电梯节能技术存在的并网谐波及干扰的不足 ， 设计了基于超级电容 储能装置的储能式电梯系统。通过双向 DC － DC 变换器实现电梯回馈能量的存储与再利用； 同时 摘 针对电梯系统， 对超级电容储能装置的参数设计并给出了分析方法 。仿真及样机实验结果表明， 该 系统能够实现回馈能量的有效利用 ， 节能效果达到 26% ， 并且保持原转矩和速度的平稳性， 超级电 容储能装置未对原有电梯系统的舒适性和安全性造成影响 。 关键词： 超级电容； 电梯； 储能； 节能； 参数选择 DOI： 10． 15938 / j． emc． 2015． 06． 009